Исследование процессов горения водородсодержащих топлив в роторно-поршневых двигателях с многократной подачей топлива и форкамерно-факельным зажиганием для применения в системах распределённой электрогенерации. Проект РНФ № 21-79-00170

Проблемы электрогенерации в изолированных и труднодоступных территориях (ИТТ), отраженные в аналитическом докладе при правительстве РФ (https://ac.gov.ru/uploads/2-Publications/analitika/генерации_в_ИТТ.pdf), вызваны совокупностью факторов: а) моральным и физическим устареванием используемого оборудования; б) высокая себестоимость произведенной электроэнергии (в структуре расходов 50-70% занимают покупка и транспортировка дизельного топлива). Повышение эффективности объектов генерации электроэнергии в ИТТ законодательно утверждено еще в 2019 году. Перспективным направлением модернизации энергоустановок является переход от тяжелого дизельного топлива к водородсодержащим составам, и в перспективе к чистому водороду. Это обусловлено мировым трендом на декарбонизацию экономики и развитие водородной энергетики. Однако, перевод существующих объектов генерации на водородсодержащее топливо затруднителен из-за морального устаревания используемых технологий и изношенности оборудования. Создание энергоустановок нового типа, работающих на водородсодержащем топливе, является актуальной научной проблемой. Установка для генерации электрической энергии в большинстве случаев состоит из двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электрического генератора. Технологические решения для генераторной части энергоустановки отработаны на должном уровне, поэтому особый интерес исследователей вызывает изучение повышения эффективности и модернизации рабочих процессов в ДВС. Перевод ДВС на водородсодержащее топливо не требует значительной переработки конструкции ДВС, изменениям подлежат лишь системы подачи и зажигания топлива. В данном проекте будет проведено численное моделирование процессов подготовки и сжигания водородсодержащих топлив, с целью определения оптимальных параметров работы систем топливоподачи и зажигания рабочей смеси. Методы численного моделирования позволяют сократить цикл разработки новых устройств, снизить стоимость изделий и повысить качество продукции. В водородном ДВС обычно используются технологии впрыска топлива в впускной коллектор или камеру сгорания. Существует возможность многократного впрыска топлива, при котором происходит разделение непрерывного процесса впрыска на серию импульсов. Основной целью является создание оптимальных условий для процесса горения, когда в зоне распространения пламени находится обогащенная смесь, в то время как в остальной части камеры сгорания – обедненная смесь [https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.12.110]. Предложенное в проекте численное моделирование работы ДВС позволит определить оптимальную стратегию многократного впрыска для обеспечения эффективной организации процесса горения газомоторного топлива и достижения заявленных мощностных характеристик. Для зажигания смеси будет рассмотрена перспективная схема с форкамерно-факельным зажиганием (ФФЗ) в турбулентном режиме (turbulent jet ignition). Использование данной технологии позволит достичь высокой топливной экономичности, работы на обедненных смесях и сокращения выбросов вредных веществ [https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.119236]. Принцип ФФЗ известен достаточно давно, но современный уровень воплощения отдельных компонентов технологии расширяет возможности его применения, в том числе для водородсодержащего топлива. С использованием инструментов численного моделирования будут установлены необходимые оптимальные параметры работы системы зажигания широком диапазоне работы ДВС. В процессе исследования необходимо учитывать состав водородсодержащего топлива. В проекте предлагается комплексное изучение процессов горения водорода и его смесей с метаном и аммиаком методами численного моделирования для обеспечения гибкости в выборе топлива энергоустановок. Метановодородное топливо представляется переходным этапом к водородной энергетике без затратных инфраструктурных преобразований на основе существующей газовой инфраструктуры. К преимуществам аммиака относится высокое содержание водорода и возможность транспортировки в жидком виде. В проекте будет рассматриваться альтернативные конструкции ДВС, в частности роторно-поршневая (РПД) [https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.01.234]. По сравнению с поршневым ДВС РПД обладает рядом преимуществ: конструктивная простота, малое количество деталей, низкий уровень вибраций из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма. Будет исследован четырехтактный РПД, работающий на газообразном водородсодержащем топливе. Разработка, верификация и использование методик численного моделирования процессов подготовки и сжигания водородсодержащего топлива и воздуха в ДВС с использованием современных технологий подачи и зажигания топлива является актуальной научной задачей. Публикации в научной периодике, посвященные изучению горения водородсодержащих топлив с использованием комбинации технологий многократного впрыска и ФФЗ, практически не представлены. Тематика схожих типов исследований дает основание полагать, что эти результаты будут востребованы.